陳澤紅

摘要：實(shí)驗(yàn)教學(xué)是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全課程教學(xué)的重要組成部分，當(dāng)前的實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)和方案，存在方案陳舊、形式單一等問(wèn)題。文章從教學(xué)平臺(tái)、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)管理方法探索計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全課程建設(shè)方案。提出基于云計(jì)算平臺(tái)技術(shù)，構(gòu)建一套高靈活性和高擴(kuò)展性實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的方案;改進(jìn)教學(xué)管理方法，以實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的開(kāi)放共享，過(guò)程的量化考核;建設(shè)知識(shí)結(jié)構(gòu)合理、模式多樣化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生綜合實(shí)踐能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)作和探究精神。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)安全課程;實(shí)驗(yàn)平臺(tái);實(shí)踐教學(xué);虛擬仿真

中圖分類(lèi)號(hào)：G642 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2022）02-0040-02

1 引言

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全作為一門(mén)綜合性課程，理論性強(qiáng)，涉及知識(shí)面廣，涵蓋通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、密碼學(xué)等多個(gè)學(xué)科。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全課程除開(kāi)展課堂理論教學(xué)外，還應(yīng)結(jié)合系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，使學(xué)生可以將離散的理論知識(shí)靈活地運(yùn)用到實(shí)際網(wǎng)絡(luò)安全案例中。當(dāng)前，云計(jì)算和虛擬仿真等技術(shù)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究、生活服務(wù)等領(lǐng)域中，對(duì)于高校來(lái)說(shuō)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)也必然迎來(lái)變革，實(shí)驗(yàn)環(huán)境的虛擬化、實(shí)驗(yàn)終端多樣化已成趨勢(shì)[1]。本文面向應(yīng)用型高校人才培養(yǎng)，提出以云計(jì)算平臺(tái)為基礎(chǔ)建設(shè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，制定由淺入深漸進(jìn)式計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全課程教學(xué)方案。

2 網(wǎng)絡(luò)安全實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問(wèn)題

實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容與方式不適應(yīng)當(dāng)前的教學(xué)要求。以廈門(mén)理工學(xué)院為例，開(kāi)設(shè)的網(wǎng)絡(luò)安全實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，仍有相當(dāng)部分集中在基礎(chǔ)知識(shí)、原理的驗(yàn)證，停留于幫助學(xué)生掌握知識(shí)點(diǎn)的層面，缺少分析、設(shè)計(jì)等綜合性實(shí)驗(yàn)。依然有教師習(xí)慣于將實(shí)驗(yàn)步驟寫(xiě)入指導(dǎo)書(shū)，學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)的步驟進(jìn)行驗(yàn)證，這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式導(dǎo)致學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中缺乏獨(dú)立探究的精神。另外，普遍存在老師只靠學(xué)生上交的實(shí)驗(yàn)報(bào)告進(jìn)行評(píng)價(jià)考核，此方式評(píng)價(jià)依據(jù)來(lái)源單一，評(píng)價(jià)結(jié)果主觀(guān)性強(qiáng)，無(wú)法反映學(xué)生實(shí)驗(yàn)過(guò)程的表現(xiàn)[2]。

部分實(shí)驗(yàn)設(shè)備陳舊、方案過(guò)時(shí)。以廈門(mén)理工學(xué)院網(wǎng)絡(luò)安全實(shí)驗(yàn)室一期項(xiàng)目為例，建成至今已使用近十年，采用分組機(jī)架的方案，每組包含路由器、防火墻、IDS和安全審計(jì)系統(tǒng)等網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備。在建設(shè)升級(jí)前，不少設(shè)備由于年久老化，設(shè)備故障頻發(fā)，常出現(xiàn)學(xué)生開(kāi)展實(shí)驗(yàn)受影響的情況。實(shí)驗(yàn)室的網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備種類(lèi)繁多，不同班級(jí)與實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目對(duì)設(shè)備的初始配置有不同的需求，為此每次課前的準(zhǔn)備給實(shí)驗(yàn)人員帶來(lái)了大量重復(fù)且低效的維護(hù)工作量。實(shí)體的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，投資大，更新周期慢，面對(duì)日新月異的技術(shù)，存在一定的滯后。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備只能在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，不支持遠(yuǎn)程訪(fǎng)問(wèn)。

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

云計(jì)算技術(shù)具備高效、靈活、高可擴(kuò)展性、網(wǎng)絡(luò)化等優(yōu)勢(shì)，云計(jì)算技術(shù)構(gòu)建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具備建設(shè)成本低，管理方便，資源利用率高等優(yōu)點(diǎn)。

KVM是開(kāi)源的基于Linux內(nèi)核的虛擬化技術(shù)，鑒于其應(yīng)用廣泛，擁有大量成熟API，開(kāi)發(fā)成本低，本平臺(tái)選擇其作為底層的資源虛擬化技術(shù)。OpenStack是開(kāi)源云平臺(tái)架構(gòu)，活躍度高，成功案例多，方便開(kāi)發(fā)定制，支持彈性擴(kuò)展，因此，選擇OpenStack搭建云平臺(tái)。

平臺(tái)采用分層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，上層使用下層提供的服務(wù)，下層由上層進(jìn)行控制，從下往上分別抽象為虛擬資源管理層、云計(jì)算平臺(tái)層和實(shí)驗(yàn)應(yīng)用層[3-4]。支撐平臺(tái)的運(yùn)行的底層基礎(chǔ)是硬件資源，主要包括管理節(jié)點(diǎn)服務(wù)器、計(jì)算節(jié)點(diǎn)服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備等。

虛擬資源管理層基于KVM技術(shù)實(shí)現(xiàn)資源的虛擬化。KVM作為L(zhǎng)inux內(nèi)核中的虛擬化管理程序模塊，支持硬件輔助虛擬化技術(shù)，其虛擬機(jī)是以普通進(jìn)程的方式運(yùn)行于Linux，接受Linux進(jìn)程調(diào)度策略的統(tǒng)一管理。KVM的內(nèi)核模塊實(shí)現(xiàn)了CPU、內(nèi)存的底層虛擬化，與I/O 處理相關(guān)的設(shè)備虛擬化借助QEMU模塊實(shí)現(xiàn)。KVM支持X86架構(gòu)的Intel VT-x與AMD-V硬件虛擬化技術(shù)，對(duì)硬件適應(yīng)性強(qiáng)，同時(shí)KVM支持的虛擬機(jī)操作系統(tǒng)比較全面，能滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)對(duì)虛擬主機(jī)的要求。

云計(jì)算平臺(tái)層主要由OpenStack相關(guān)服務(wù)組件構(gòu)成，負(fù)責(zé)虛擬機(jī)、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)等資源管理，應(yīng)用層的程序從OpenStack獲取所需的資源。其中，Nova組件管理虛擬機(jī)實(shí)例及其相關(guān)資源的調(diào)配，Swift組件負(fù)責(zé)存儲(chǔ)管理，Neutron組件提供SDN網(wǎng)絡(luò)功能。云計(jì)算平臺(tái)層與虛擬資源管理層間的通信，即KVM Hypervisor 與OpenStack API 連接由Libvirt組件實(shí)現(xiàn)，由下向上提供一個(gè)屏蔽細(xì)節(jié)的統(tǒng)一接口。OpenStack的Neutron網(wǎng)絡(luò)服務(wù)組件，用軟件的方式構(gòu)建虛擬網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境具備較高的真實(shí)性，能全面滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)要求?；贠penStack云計(jì)算架構(gòu)，可以通過(guò)鏡像克隆技術(shù)，并行開(kāi)展多實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，場(chǎng)景間有效隔離，互不干擾。

實(shí)驗(yàn)應(yīng)用層為Web GUI管理平臺(tái)，是用戶(hù)操作界面，實(shí)現(xiàn)OpenStack資源的使用與管理。實(shí)驗(yàn)應(yīng)用層在虛擬化管理基礎(chǔ)上，還實(shí)現(xiàn)了用戶(hù)管理、課程管理和考核管理等功能，主要包括開(kāi)課管理、實(shí)驗(yàn)庫(kù)的編排與維護(hù)、實(shí)驗(yàn)過(guò)程監(jiān)控、實(shí)驗(yàn)過(guò)程指導(dǎo)、實(shí)驗(yàn)考核管理。

借助虛擬化技術(shù)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以靈活部署虛擬的Web服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、郵件服務(wù)器、域名服務(wù)器等廣泛應(yīng)用的系統(tǒng)，構(gòu)建還原度高、實(shí)戰(zhàn)性強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景。

4 實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的建設(shè)

為符合新的教學(xué)大綱與課程標(biāo)準(zhǔn)，并使實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容與平臺(tái)相適應(yīng)，本文從實(shí)驗(yàn)類(lèi)型劃分和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容編排兩方面進(jìn)行規(guī)劃，建設(shè)層次合理、邏輯結(jié)構(gòu)有序的網(wǎng)絡(luò)安全實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。

科學(xué)分類(lèi)，層次遞進(jìn)，根據(jù)時(shí)間方式將實(shí)驗(yàn)分為個(gè)人在線(xiàn)實(shí)驗(yàn)、團(tuán)隊(duì)協(xié)作實(shí)驗(yàn)、項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)、競(jìng)賽對(duì)抗等四類(lèi)。個(gè)人在線(xiàn)實(shí)驗(yàn)由個(gè)人配合課堂理論教學(xué)，在理論課堂或課后進(jìn)行線(xiàn)上的基礎(chǔ)驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)，通過(guò)實(shí)踐操作幫助學(xué)生鞏固對(duì)課堂教授相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的理解，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力。團(tuán)隊(duì)協(xié)作實(shí)驗(yàn)是在實(shí)驗(yàn)課中或者線(xiàn)上組隊(duì)形式協(xié)作完成綜合型、設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題、解決問(wèn)題能力，建立團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神。項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)是集中一到兩周時(shí)間完成整個(gè)綜合項(xiàng)目的課程設(shè)計(jì)，或單獨(dú)編排教學(xué)計(jì)劃的工程實(shí)訓(xùn)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生根據(jù)項(xiàng)目提出的任務(wù)目標(biāo)，充分交流協(xié)作，最終解決問(wèn)題，鍛煉工程實(shí)踐能力。競(jìng)賽對(duì)抗為選修實(shí)驗(yàn)，利用云計(jì)算平臺(tái)系統(tǒng)易于擴(kuò)展、支持遠(yuǎn)程訪(fǎng)問(wèn)的優(yōu)勢(shì)，幫助有興趣或?qū)W有余力的學(xué)生創(chuàng)新提高[5]。

優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容編排，在虛擬化實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)上建設(shè)符合教學(xué)大綱和課程標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，項(xiàng)目的設(shè)置遵循邏輯結(jié)構(gòu)有序的原則，由演示過(guò)渡到應(yīng)用，進(jìn)而逐步提高到設(shè)計(jì)的過(guò)程。第一階段，主要實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)和加密技術(shù)，幫助學(xué)生掌握網(wǎng)絡(luò)安全的基本概念;第二階段，主要介紹各類(lèi)安全技術(shù)，包括操作網(wǎng)絡(luò)安全、系統(tǒng)安全以及Web應(yīng)用系統(tǒng)安全;第三階段，學(xué)習(xí)攻擊與防御技術(shù)，包括漏洞掃描、滲透測(cè)試以及各種防火墻、入侵檢測(cè)等防御技術(shù);最后是綜合實(shí)踐階段，融合各個(gè)專(zhuān)項(xiàng)安全技術(shù)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)安全的整體解決方案，促使學(xué)生建立起對(duì)網(wǎng)絡(luò)安全體系架構(gòu)的認(rèn)識(shí);此外，開(kāi)放研究開(kāi)發(fā)型的實(shí)驗(yàn)，由老師或者學(xué)生根據(jù)科研項(xiàng)目或?qū)嶋H需求制定有一定難度和復(fù)雜度的實(shí)驗(yàn)，形成一定方案，在老師的指導(dǎo)和學(xué)生的探索中達(dá)到創(chuàng)新的高度。

5 實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理方法的優(yōu)化

平臺(tái)接入校園網(wǎng)絡(luò)，為學(xué)生實(shí)訓(xùn)提供強(qiáng)有力的保障，實(shí)現(xiàn)全天候、個(gè)性定制化、規(guī)?；瘏f(xié)同實(shí)驗(yàn)?；谠朴?jì)算平臺(tái)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理，利用平臺(tái)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理能力及虛擬化管理方面的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過(guò)程動(dòng)態(tài)的記錄、實(shí)驗(yàn)結(jié)果測(cè)評(píng)的反饋、實(shí)驗(yàn)報(bào)告在線(xiàn)生成以及師生在線(xiàn)交互等功能。另外，通過(guò)平臺(tái)監(jiān)測(cè)模塊分析優(yōu)化來(lái)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的過(guò)程及效果。

網(wǎng)絡(luò)安全課程體系中對(duì)實(shí)驗(yàn)技能有較高的要求，因此加大課程考核中實(shí)驗(yàn)成績(jī)的占比。針對(duì)實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)成果考核表，在分值指標(biāo)中以量化的形式，體現(xiàn)操作過(guò)程規(guī)范、實(shí)驗(yàn)工作量和難度。

6 結(jié)語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全課程教學(xué)的重要一環(huán)， 完善的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案，靈活的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，行之有效的教學(xué)管理方法是構(gòu)建完整教學(xué)體系的保障。

基于云計(jì)算平臺(tái)技術(shù)構(gòu)建虛擬化實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，結(jié)合了場(chǎng)景逼真、擴(kuò)展性強(qiáng)、靈活快捷、流程完整等特點(diǎn)，為實(shí)驗(yàn)開(kāi)展和教學(xué)管理提供有力支撐。平臺(tái)的靈活性和擴(kuò)展性為實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容緊密結(jié)合行業(yè)發(fā)展提供了條件，縮短了實(shí)驗(yàn)教學(xué)和工程實(shí)踐的距離。實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容結(jié)構(gòu)合理、邏輯有序，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ蕉鄻踊?、層次化，有利于學(xué)生提高計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全的實(shí)踐能力，激發(fā)學(xué)習(xí)潛能，培養(yǎng)創(chuàng)新能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力。

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【通聯(lián)編輯：王力】

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